2023年11月9日

自然地理学发展的关键科学问题

作者 admin

■自然地理学是研究人类家园地球表面的科学。 主要通过物质迁移与能量转换、自然要素与人类活动的相互作用,研究自然地理要素和自然景观特征的成因、演化过程和发展规律。 空间差异和区域特征,了解地球自然环境如何成为人类活动的基础并受到人类活动的影响。

自然地理学应用于解决资源、环境、灾害和发展面临的复杂问题,为合理利用自然资源、保护生态环境、防灾减灾、实现人与人和谐共处提供科学依据。自然。 《自然地理学前沿》阐释了自然地理学的总体发展趋势和方向,并探讨了地貌学、气候学、水文学、生物地理学、土壤地理学、综合自然地理学、地理系统模型模拟等分支学科。 分析其发展趋势和方向,力求整体呈现当代自然地理学的研究前沿,并从学科发展战略的角度分析和预测自然地理学未来的重点研究领域。

自然地理学自诞生以来,经历了风风雨雨。 然而,基于人地耦合这一永恒主题,自然地理学古老而充满活力。 它在发展过程中不断创新,帮助人类了解和了解地球表面。 该体系提供了重要的科学支撑。 自然地理学作为一门面向世界的学科,始终以其特色的认知方法、全面的研究范式和独特的学科地位,为全球和区域资源环境问题的治理提供重要的决策依据。

近年来,在全球变化的背景下,面对可持续发展的时代要求,自然地理学始终充分发挥学科特色,在国土空间优化、资源与环境保护、生态文明建设和自然灾害防治。 角色。 以空间组织概念为核心,理性主义与经验主义相结合,构成了具有自然地理学特征的认知方式。 它重视多种要素的交叉和多种过程的综合作用,注重多尺度关联,形成了自然地理学的综合研究范式。 。 自然地理学不仅为生态文明建设重大问题提供基础科学支撑,而且对实现可持续发展目标发挥着重要作用。

自然地理学研究具有整体性、综合性、区域性和交叉性的学科特征,规模性、动态性和多样性对学科发展也具有重要意义。 21世纪以来,在当代科学发展和社会需求的推动下,自然地理学的性质、内容、方法和功能发生了重大变化。 它既继承了传统的自然地理学思想,又吸收了其他学科的先进思想。 。 从自然地理学研究的早期整体发展来看,内部的各个分支学科已经从母体中分离出来; 从力求自然科学融合的“规范学科”体系转向当代自然地理学的多元化发展; 从研究区域自然环境特征,到关注全球环境变化和人类福祉,自然地理学的发展被时代赋予了新的意义和使命。 总体而言,自然地理学的研究主题逐渐从传统的自然地理格局研究转向格局与过程耦合、人地系统耦合等课题,研究方法逐渐走向综合化、定量化、微观过程化。机制与宏观格局正在实现结合,呈现新的发展态势。 在地理学研究更加综合化的趋势下,加强自然地理学各分支学科的交叉以及自然地理学与其他学科的交叉已成为解决自然地理学乃至地理科学重要科学问题的关键途径。

自然地理学发展的关键科学问题和总体思路

关键科学问题

自然地理学不仅强调部门自然地理学的发展,而且注重综合性研究。 自然地理学发展的关键科学问题不仅来源于自然地理学的部门,而且来源于自然地理学的综合研究。 从传统研究对象出发,自然地理学综合研究的主要领域包括自然地理学综合区划、土地研究、景观生态、生态系统服务、地表系统地理过程等(图1)。 近年来,从地理学角度研究生态系统服务日益受到关注,进一步拓展了自然地理学的综合研究范围(付和潘,2016)。

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图1 自然地理学综合研究(付、潘,2016)

考虑到自然地理学的综合研究和部门自然地理学的发展趋势,面向生态修复、环境保护、自然资源利用和可持续管理等多项国家重大需求和国际战略,我省自然地理学的发展国家需要重点关注以下科学:问题。

(1)如何深化地表不同尺度格局与过程的耦合研究。 作为全面认识复杂地理实体的基础,格局与过程耦合已成为自然地理学综合研究的重要方向。 地貌、气候、水文、生物、土壤、海洋等部门的自然地理学都需要深化不同时空尺度格局与过程的耦合研究,建立不同尺度的尺度转换分析机制。 在格局与过程耦合研究中,要加强遥感监测、样线调查、地面观测、室内实验、模型模拟等手段的综合应用和融合。

(2)如何开展气候变化背景下的区域响应与适应综合研究。 全球气候变化是全球变化过程中不争的事实。 全球气候变化显着影响地貌、水文循环过程、生物地理格局、陆地-海洋相互作用、土壤演化和物质循环。 我国不同地区自然生态环境和社会经济条件存在显着差异,全球气候变化引发的问题和适应措施也存在显着区域差异。 我国自然地理学工作者不仅需要关注全球气候变化对自然生态过程影响的基础研究,还需要聚焦气候变化敏感地区和生态系统脆弱地区,开展综合集成研究,加强开发区域综合模型,探索相应区域的人类活动。 社会和生态系统的适应性策略。

(3)如何识别地球表面系统中人类与自然的相互作用机制。 人类活动深刻影响了地球表面系统的演化,在不同尺度上改变着自然生态系统,其影响呈现出高度复杂性和空间异质性。 传统的自然地理学研究往往弱化人类活动的作用。 现代自然地理学的发展不仅需要分析人类活动对自然地貌、水文水资源、土壤性质、物种和生态系统的影响,而且需要关注自然生态系统的变化对人类的影响,并区分不同时间、不同空间尺度的人与自然。 互动机制,从而为国家可持续发展提供新知识和解决方案。

(4)如何从自然地理学角度推动生态系统服务研究。 生态系统服务是连接自然生态系统和人类社会系统的桥梁,是当代地理学研究的热点和前沿领域。 生态系统服务研究越来越关注时空异质性、空间流动性以及供需的区域匹配。 自然地理学可以充分发挥其区域性、综合性、系统性的特点,基于“格局-过程-服务-可持续性”的研究范式,对生态系统服务、本地与远程耦合、人类福祉等方面的权衡进行协同分析。 效果提供支持。

(5)如何促进多源数据融合和地理模型开发。 长期定位监测、野外调查、室内实验和遥感监测等多源数据是自然地理学研究的基础。 然而,随着自然地理学研究问题的多样化,通过各种方法获得的数据往往具有不同的属性特征。 如何有效整合多源地理数据已成为自然地理学研究的迫切需求。 同时,由于自然环境的复杂性,自然地理学研究中使用的模型常常面临各种形式的不确定性。 迫切需要提高模型对自然过程和人地系统的有效刻画,提高模型的模拟能力和精度。 为我国开发本地化的地理模型。

(六)如何深化我国典型地理单元综合研究,拓展全球性问题国际合作。 我国幅员辽阔,拥有青藏高原、黄土高原、长江流域、黄河流域等多种自然地理单元。 对这些地理单元进行全面综合研究,对于我国生态文明建设和可持续发展具有重要意义。 同时,地球表面系统是由相互作用的自然地理过程组成的。 碳排放、陆地和海洋沉积物输送、生物地球化学循环、陆地-空气和海-空气通量等地理过程不仅具有区域影响,而且还具有大陆影响。 甚至具有全球意义。 然而,我国以往的自然地理学研究往往集中于我国的区域性问题,而对全球性问题的关注相对较少。 加强全球性问题研究,积极组织重大国际研究项目,不仅可以提高我国自然地理学研究的国际水平,也可以服务我国国际化发展战略。

思考发展方向

在学科发展过程中,系部自然地理学和综合自然地理学不仅需要凸显自然地理学的综合性、交叉学科优势,还需要提高人地系统精细化耦合的能力。 自然地理学作为地理学的重要基础,需要在机理认识上取得突破,在研究方法上取得进步。 自然地理学分支学科及其综合研究中的以下科学问题需要自然地理学学者深入思考(图2)。

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图2 自然地理学发展的科学问题及思考(付伯杰,2018a)

(一)地貌学发展新的增长点是什么? 传统地貌学关注环境力影响下地貌形态的变化; 现代地貌学需要加强地貌过程、生态水文过程、社会经济过程、气候变化动力学等多领域过程的耦合分析,加强数值模拟和高分辨率遥感技术。 运用地貌学研究新技术、新方法,在综合性、综合性研究中探索新的学科分支和领域方向,重点加强地貌学与全球环境变化、地貌学与人类活动等研究。

(2)生物地理学只研究生物地理分布? 植物地理学和动物地理学是生物地理学研究的经典内容。 现代生物地理学需要在生物地理空间分布经典研究内容的基础上,综合应用DNA测序、生态模型、遥感等技术方法,将全球变化与人类福祉结合起来,加强微观、宏观分析和多尺度研究。综合研究,深化属性地理学、全球变化生物地理学等前沿领域的植物探索,将变化背景下的生物地理空间分布与人类需求联系起来。

(3)水文学研究是否仍局限于物理过程的研究? 传统水文学强调水循环的物理过程。 在此基础上,现代水文学需要关注全球变化、人类活动、生物演替和水循环的相互作用,综合遥感、同位素示踪、建模等技术方法,开展多要素综合综合研究,多过程和多尺度。 ,发展生态水文学、社会水文学、水形态学等新兴学科领域和方向。

(4)自然地理学如何全面参与气候变化研究? 气候变化是世界面临的重大挑战。 近几十年来,气候变化一直是全球关注的重大科学问题。 形成了一系列国际研究计划,成为科学界的前沿热点。 自然地理学研究的地理过程、圈相互作用和地表系统与气候变化密切相关。 但在现有的气候变化重大国际研究计划、《联合国气候变化框架公约》等科学研​​究和政策讨论中,自然地理学尚未充分发挥其学科支撑功能,亟待探索和加强。自然地理学在气候变化研究中的作用。 贡献和作用。

(5)综合自然地理学是否仅限于土地类型分类和自然区划? 土地类型划分和自然区划是综合自然地理学研究的经典内容。 然而社会经济的快速发展对自然地理学综合研究提出了新的要求。 现代综合自然地理学需要满足国家重大需求,聚焦人地系统耦合研究,充分发挥学科综合优势,开展资源环境承载力评价、土地开发调控等研究与优化、生态安全格局与生态文明建设、“一带一路”建设。 领域做出积极贡献。

(6)如何深化自然与人文要素相互作用机制的研究? 人类活动对地表过程影响的范围、强度和幅度不断扩大,已成为地表环境变化的主要驱动力之一。 为了深入认识现代环境变化的机制并预测未来的变化趋势,自然地理学需要将自然与人文的基本过程耦合起来,避免分支学科相互独立造成的空心化。 通过系统整体综合方法的发展,需要建立复杂系统模拟模型,探索自然要素与人文要素的耦合机制以及变化环境下地表系统的动态变化特征,深化对地表系统的研究。开展陆表系统集成研究和决策应用研究,为区域、国家乃至全球可持续发展提供科学依据。

总体发展思路

自然地理学的早期研究集中于单一的自然元素和过程。 近年来,在全球环境变化的推动下,自然地理学研究形成了气候变化、生态系统服务、格局与过程耦合、模型、尺度等研究热点。 地貌学、气候学、水文学、生物地理学、综合自然地理学等自然地理学分支学科在传承过程中得到了新的发展,出现了城市自然地理学、流域、区域一体化等新兴方向。 研究进展主要体现在自然地理过程的综合与深化、地表系统的整合与整合、陆海相互作用、区域生态与环境管理应用等方面(Fu Bergie,2018a)。 其中,自然地理学过程的综合和深化,为自然地理学的综合研究提供了基础支撑。 陆表系统整合和陆海相互作用研究是自然地理格局与过程耦合、自然要素与人文要素结合的核心表现。 区域生态与环境管理应用是自然地理学应用于国家和区域重大战略需求和决策的重要体现(图3)。

图3 自然地理学发展总体框架(Fu Bergie,2018a)

21世纪以来,中国自然地理学在与可持续科学对接、要素与过程整合、空间数据挖掘和系统决策等方面取得了新的发展。 地理学与可持续发展问题的深度融合决定了自然地理要素与过程整合的目标导向,自然地理要素与过程整合的结果为地表系统决策提供机制分析途径。 地理空间数据的挖掘和融合为自然地理要素和过程的整合提供基础数据支撑,地表系统的决策结果直接服务于国家和区域可持续发展实践。 面对不断变化的全球环境和不断变化的学科热点,自然地理学在深化过程研究和区域综合模拟方面也面临着新的挑战。 鉴于上述,自然地理学学科发展的总体思路需要重点关注以下学科发展内容。

(一)深化自然地理学分支学科的过程研究,夯实自然地理格局与过程耦合的理论基础。 目前,自然地理学分支学科在地貌过程、气候变化过程、生物地理过程、水文过程、土壤过程等方面不断取得进展,但仍不足以为陆表系统过程的整合提供足够的参数支持。 对自然地理学分支学科过程的研究无疑是跨学科交叉和成果融合的基础环节,对自然地理学单一过程的研究必然更加深入。 面对全球变化下地表系统的剧烈变化,应基于格局分析,深入厘清地貌、气候、生物、水文、土壤等地理过程的形成演化机制,进一步凝练物理学前沿理论。地理学,深化自然地理过程研究。 ,成为自然地理学在科学知识发现层面的重要挑战。

(二)推动综合自然地理学发展,聚焦地表系统耦合前沿问题。 我国自然地理学综合研究自20世纪90年代以来不断发展,目前在国际地理学研究领域处于领先地位。 面对复杂的全球变化和可持续发展的需要,自然地理学必须进行更高水平的综合与融合,加强多学科交叉融合,注重人类与自然地理学的耦合研究。 在学科交叉融合的背景下,综合自然地理学也将发挥更加重要的联系自然地理学各分支学科的作用。 依托自然地理学分支学科对自然地理过程形成机制的深入分析,探索陆表系统的定量化、综合化方法,继承和发扬地理学的跨学科、综合性学科优势,并成为自然地理学提高学科挑战价值的重要组成部分。

(3)提高地表系统观测与模拟水平,服务未来可持续发展决策。 地表过程相互作用的复杂性给综合地理学研究带来了诸多困扰和挑战。 特别是数据和模型的不确定性,制约了对自然地理过程形成和演化机制的系统分析。 为了控制和减少不确定性,需要注意模型预测与观测结果的一致性,进一步发展资料同化算法,提高模型预测精度(李新,2013)。 通过长期野外观测、综合调查和模型模拟相结合,提高地理大数据的空间挖掘能力,将有助于应对和解决更加复杂的自然地理格局和过程时空耦合问题。 面对全球环境变化下的不同区域发展情景,提供更高精度的多要素、多过程、多尺度的模型模拟结果以满足国家和区域可持续发展战略的需求,已成为自然地理学服务于自然地理的重要挑战。社会决策。 。

总之,自然地理学各部门的交叉与融合,既是变化背景下我国自然地理学发展的重要成果,也是我国自然地理学未来发展的重要方向。 深化自然地理学分支学科的过程研究,推动综合自然地理学发展,提高地表系统观测与模拟水平,有利于进一步巩固自然地理学作为地理学学科基础学科的地位系统。 为满足国家要求、为重大战略需求和全球可持续发展做出更加重要的学科贡献。

自然地理学前沿

富伯杰正在等待

北京:科学出版社,2021.6

(地球科学前沿系列)

ISBN 978-7-03-068701-2